Mycket lite är känt om den exakta naturen hos mörk materia. För närvarande, några av de mest lovande kandidaterna för mörk materia är extremt lätta bosoniska partiklar som axioner, axionliknande partiklar eller till och med mörka fotoner. "Dessa kan också betraktas som ett klassiskt fält som oscillerar med en viss frekvens. Men vi kan ännu inte sätta en siffra på denna frekvens - och därför massan av partiklarna, " förklarar professor Dmitry Budker. "Det är därför som i CASPEr-forskningsprogrammet, vi undersöker systematiskt olika frekvensområden och letar efter inslag av mörk materia."

Budkers grupp söker efter mörk materia genom Cosmic Axion Spin Precession Experiment (CASPEr). CASPEr-gruppen genomför sina experiment vid PRISMA+ Cluster of Excellence vid Johannes Gutenberg University Mainz (JGU) och Helmholtz Institute Mainz (HIM). CASPEr är ett internationellt forskningsprogram som använder kärnmagnetisk resonansteknik för att identifiera och analysera mörk materia.

CASPEr-teamet utvecklar speciella tekniker för kärnmagnetisk resonans (NMR), var och en inriktad på ett specifikt frekvensområde och därför på ett specifikt område av partikelmassor av mörk materia. NMR förlitar sig generellt på det faktum att kärnspinn reagerar på magnetfält som oscillerar vid en specifik resonansfrekvens. Resonansfrekvensen ställs in via en sekund, vanligtvis statiskt magnetfält. Grundtanken med CASPEr-forskningsprogrammet är att ett fält av mörk materia kan påverka kärnkraftssnurrarna på samma sätt. När jorden rör sig genom detta fält, kärnsnurr beter sig som om de skulle uppleva ett oscillerande magnetfält, sålunda genererar ett mörk materia-inducerat NMR-spektrum.

I det pågående arbetet, första författaren Antoine Garcon och hans kollegor använde en mer exotisk teknik:noll-till-ultralågfälts (ZULF) NMR. "ZULF NMR ger en regim där kärnspinn interagerar starkare med varandra än de gör med ett externt magnetfält, " säger motsvarande författare Dr. John W. Blanchard. "För att göra snurrarna känsliga för mörk materia, vi behöver bara applicera ett mycket litet externt magnetfält, vilket är mycket lättare att stabilisera."

Vidare, för första gången undersökte forskarna ZULF NMR-spektra av 13C-myrsyra med avseende på mörk-materia-inducerade sidoband, använda ett nytt analysschema för att på ett koherent sätt medelvärde sidoband med godtycklig frekvens över flera mätningar.

Denna speciella form av sidbandsanalys gjorde det möjligt för forskarna att söka efter mörk materia i ett nytt frekvensområde. Ingen mörk materia-signal upptäcktes, som CASPEr-teamet rapporterar i den senaste upplagan av Vetenskapliga framsteg , tillåter författarna att utesluta ultralätt mörk materia med kopplingar över en viss tröskel. På samma gång, dessa resultat ger ytterligare en bit av mörk materiapussel och kompletterar tidigare resultat från CASPEr-programmet som rapporterades i juni, när forskarna utforskade ännu lägre frekvenser med en annan specialiserad NMR-metod som kallas komagnetometri.

"Som ett pussel, vi kombinerar olika delar inom CASPEr-programmet för att ytterligare begränsa omfattningen av sökningen av mörk materia, " hävdar Dmitry Budker.

John Blanchard tillägger, "Detta är bara det första steget. Vi implementerar för närvarande flera mycket lovande modifieringar för att öka vårt experiments känslighet."